AFSIM： AFRL主導(dǎo)的建模與仿真工具

A FSIM是一個通用的建?？蚣?，由美國空軍研究實(shí)驗室（AFRL）開發(fā)和維護(hù)，能夠構(gòu)建典型的虛擬威脅環(huán)境和相關(guān)模型。為了獲得政府和整個行業(yè)的認(rèn)可，AFRL不僅構(gòu)建了功能強(qiáng)大的產(chǎn)品，而且還免費(fèi)向認(rèn)證的用戶提供軟件，源代碼和培訓(xùn)。迄今為止，AFRL已將AFSIM許可發(fā)給超過275個政府、行業(yè)和學(xué)術(shù)組織，并為1200多個用戶提供了培訓(xùn)。AFRL的軟件開發(fā)、發(fā)行、支持和治理的總體方法可以作為鼓勵未來免費(fèi)軟件產(chǎn)品廣泛采用的模型。

構(gòu)建現(xiàn)實(shí)世界系統(tǒng)的逼真的數(shù)字模型的時代已經(jīng)到來。美國眾議院武裝部隊?wèi)?zhàn)術(shù)空軍和陸軍小組委員會最近為2020財年國防授權(quán)法案起草了指示 材料，指示美國國防部長向委員會作簡報，解釋“F-35計劃如何實(shí)施F-35系統(tǒng)企業(yè)的數(shù)字孿生技術(shù)”。

為了使F-3 5和其他武器系統(tǒng)的“數(shù)字孿生”成為主流，美國國防部（DoD）必須擁有有效、可用、負(fù)擔(dān)得起且相對易于使用的建模框架。AFRL的仿真、集成和建模高級框架（AFSIM）是基于C++的模塊化、面向?qū)ο?、多領(lǐng)域、多分辨率的建模和仿真工具。作為一種軍事模擬的框架，AFSIM側(cè)重于分析，實(shí)驗和作戰(zhàn)，這幾個方面都取得了明顯進(jìn)展。AFSIM用戶社區(qū)已經(jīng)涵蓋275個組織（包括美國軍方的所有分支機(jī)構(gòu)）的1200多名受過培訓(xùn)的用戶，以及其他美國政府機(jī)構(gòu)、行業(yè)、學(xué)術(shù)界，包括美國的主要盟友。這個廣泛的用戶社區(qū)已經(jīng)廣泛使用AFSIM來評估和比較各種武器系統(tǒng)概念，針對最有前途的概念完善操作采購策略，并最終為AFRL和整個國防部內(nèi)的武器系統(tǒng)投資決策提供信息。AFRL正在采取的措施步驟，目標(biāo)是使得AFSIM在國防領(lǐng)域能夠像MATLAB在學(xué)術(shù)界一樣普遍應(yīng)用和發(fā)展。

AFSIM迄今為止已經(jīng)花費(fèi)了5000萬美元的投資，今后每年又有600萬美元的投資，這并不是一個便宜的框架。在2003年至2013年之間，波音公司向所謂的網(wǎng)絡(luò)使能系統(tǒng)分析框架（AFNES）投資了約3500萬美元的獨(dú)立研究與開發(fā)（IR＆D）資金，這是波音公司用來模擬威脅綜合防空系統(tǒng)（IADS）的。AFRL當(dāng)時對政府可用的專有，僵化的建模與仿真工具感到沮喪，因此AFRL在2011年 進(jìn)行了可用工具的技術(shù)選型，選擇AFNES作為其多域作戰(zhàn)空間分析、多目標(biāo)決策/權(quán)衡和技術(shù)建模與仿真工作的首選框架。在2013年，波音公司將AFNES無限地轉(zhuǎn)讓給AFRL，AFRL隨后將其更名為AFSIM。

AFSIM名稱中的“AF”不代表空軍。這反映了AFRL的信念，即AFSIM不僅應(yīng)該是空軍的內(nèi)部工具，還應(yīng)該是在整個國防建模與仿真社區(qū)中廣泛使用的通用框架。這種命名選擇也表明AFSIM不僅僅是模擬飛機(jī)的框架。它被設(shè)計為一個多域平臺，這意味著它可以對陸、海 、空和空基平臺進(jìn)行建模，從而使建模人員可以包括潛艇，海軍艦艇，坦克，飛機(jī)，直升機(jī)，衛(wèi)星甚至網(wǎng)絡(luò)如果需要，可以在同一模擬中使用代理。

從一開始，AFSIM就被視為一個開放系統(tǒng)，利用“即插即用”模塊來克服早期框架的擴(kuò)展和兼容性約束。這種模塊化方法允許建模者（而不是AFSIM程序員）為模擬中使用的模型確定適當(dāng)?shù)谋Ｕ娑龋茨M基礎(chǔ)物理的程度）。同樣，用戶可以調(diào)整每個平臺的保真度，以 滿足其特定的仿真需求。例如，飛機(jī)模型的逼真度可以在沿著預(yù)定義矢量移動的空間點(diǎn)與基于虛擬駕駛艙控制的位移改變速度，方向，高度等的完整六自由度模型之間變化。

AFSIM的模塊化結(jié)構(gòu)使AFRL可以在兩個安全分類級別上分發(fā)代碼，用戶可以通過添加其他軟件模塊來適應(yīng)其特定的安全要求。AFRL提供了該代碼的非密和秘密兩種變體。兩種變體之間的主要區(qū)別只是所包含模型的數(shù)量、類型和保真度。要獲得軟件的秘密版本，承包商 還必須提供最新安全認(rèn)證。秘密版本還標(biāo)配了國家航空航天情報中心（NASIC）批準(zhǔn)的許多威脅系統(tǒng)模型，以及國家地理空間情報局（NGA）數(shù)字地形高程數(shù)據(jù)（DTED）模型。最終用戶可以添加自己的模塊，以合并其他感興趣的平臺模型以供其專用。由于AFSIM固有的軍事用途，這兩種變體都受《國際武器貿(mào)易條例》（ITAR）的限制，這意味著個人和組織可能因未經(jīng)授權(quán)而發(fā)行或?qū)С鲕浖艿搅P款或起訴。由于這些限制，在AFRL可以向其發(fā)布AFSIM之前，學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)必須具有經(jīng)過批準(zhǔn)的ITAR兼容環(huán)境。盡管有此限制，學(xué)術(shù)用戶的數(shù)量仍在增長。佐治亞理工學(xué)院，普渡大學(xué)，俄亥俄州，中央佛羅里達(dá)等大學(xué)已經(jīng)是AFSIM主要研發(fā)應(yīng)用組織成員。

AFSIM涵蓋了廣泛的軍事 模擬功能，支持工程、交戰(zhàn)、任務(wù)和戰(zhàn)役等仿真級別的作戰(zhàn)仿真實(shí)驗。如圖1。

圖1 作戰(zhàn)仿真層次

工程級仿真包括子系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)的交互仿真，例如射頻（RF）發(fā)射機(jī)與接收機(jī)交互以識別子系統(tǒng)級別的功能和限制仿真。

交戰(zhàn)級仿真由直接的沖突戰(zhàn)斗仿真組成，即在AFSIM環(huán)境下兩個實(shí)體或平臺之間的對抗。例如，藍(lán)方（友）機(jī)和紅方（敵）機(jī)之間的導(dǎo)彈對抗將構(gòu)成交戰(zhàn)水平模擬。

任務(wù)級仿真模擬一次出擊或執(zhí)行任務(wù)期間，幾個小時之內(nèi)，多架紅方和藍(lán)方飛機(jī)之間進(jìn)行了一系列的戰(zhàn)斗。這種模擬最多可以包含數(shù)千個實(shí)體。

戰(zhàn)役級仿真擴(kuò)展仿真的范圍，可能會在較長的一段時間（即幾天甚至幾個月）內(nèi)包括給定區(qū)域中的所有紅方和藍(lán)方平臺。

AFSIM的開發(fā)重點(diǎn)主要在交戰(zhàn)和任務(wù)層面，最近的開發(fā)進(jìn)展已經(jīng)將AFSIM擴(kuò)展到中小規(guī)模的戰(zhàn)役仿真。

當(dāng)需要更全面地探索工程或完整的戰(zhàn)役模型時，可以結(jié)合其他仿真建模工具，例如空軍研究、分析和評估辦公室使用的綜合戰(zhàn)場作戰(zhàn)研究模型（STORM），可在較長的一段時間（即幾天甚至幾個月）內(nèi)，模擬給定區(qū)域中的所有紅方和藍(lán)方平臺，仿真規(guī)?？蛇_(dá)數(shù)千個實(shí)體以上。

AFSIM使用戶能夠?qū)⒎抡鎸?shí)驗方案伸縮到適當(dāng)?shù)姆抡鎸哟危愿玫匮芯扛信d趣的項目。每個更高級別的仿真在邏輯上都建立在較低級別的仿真上，以此創(chuàng)建更復(fù)雜的仿真，以便分析在較簡單的仿真中可能不顯著的系統(tǒng)間關(guān)鍵屬性。例如，在交戰(zhàn)級或任務(wù)級，消耗彈藥和燃料儲備的戰(zhàn)斗效果可能不明顯，而在戰(zhàn)役級別模擬中，可能是最關(guān)鍵因素，是游戲規(guī)則的改變者。

AFSIM仿真規(guī)模的大小和復(fù)雜性的限制因素僅來自是計算機(jī)平臺的存儲、內(nèi)存和計算能力，以及運(yùn)行仿真所需的實(shí)際時間。

為了達(dá)到平臺類型、保真度和仿真類型的靈活性，AFSIM使用四個架構(gòu)元素（屬性，元素，組件和鏈接）來描述仿真中的每個平臺，如圖2所示。

圖2 AFSIM架構(gòu)要素

（1）Attributes屬性，包括常規(guī)數(shù)據(jù)，例如平臺名稱，類型和從屬關(guān)系。該子元素可以擴(kuò)展為包含諸如雷達(dá)，光學(xué)和紅外簽名數(shù)據(jù)之類的任務(wù)唯一信息，以確定飛機(jī)是否容易被敵方傳感器檢測到。

（2）Elements信息元素，包含駐留在平臺上的數(shù)據(jù)，以及有關(guān)接收者如何感知這些數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息。對于飛機(jī)，這將包括將顯示給飛行員的數(shù)據(jù)種類（即高度，速度，航向，雷達(dá)指示等），以及驅(qū)動這些顯示的大量原始數(shù)據(jù)。

（3）Components組件元素，由直接控制平臺行為的各種模型組成。這些模型描述了平臺如何在時空中運(yùn)動，感知周圍環(huán)境，處理其收集的信息，與其他平臺進(jìn)行通信以及將其動能和非動能武器庫用于敵對平臺，以及執(zhí)行各種其他任務(wù)。最后，Links元素協(xié)調(diào)平臺上各個子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換以及與其他平臺的通信。與其他平臺進(jìn)行通信，并利用其動能和非動能武器庫對抗對手平臺，并執(zhí)行其他各種任務(wù)。

（4）Links鏈接元素，協(xié)調(diào)平臺上各個子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換以及與其他平臺的通信。與其他平臺進(jìn)行通信，并利用其動能和非動能武器庫對抗對手平臺，并執(zhí)行其他各種任務(wù)。最后，Links元素協(xié)調(diào)平臺上各個子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換以及與其他平臺的通信。

AFSIM同時支持虛擬和構(gòu)造仿真。在構(gòu)造模擬中，模擬操作員控制模擬系統(tǒng)，例如，紅方和藍(lán)方玩家均由計算機(jī)控制的軍事戰(zhàn)斗。在虛擬模擬中，需要由真正的操作員來控制模擬系統(tǒng)，例如飛行員駕駛飛行模擬器。AFSIM可以有構(gòu)造地用于進(jìn)行軍事能力的多目標(biāo)決策/權(quán)衡 大型空間探索，可能涉及成千上萬以非實(shí)時方式執(zhí)行的獨(dú)特測試點(diǎn)。然后，可以將此類構(gòu)造模擬活動的結(jié)果用于定義和執(zhí)行實(shí)時運(yùn)行的虛擬模擬，以調(diào)查較窄的交易空間（由構(gòu)造模擬通知），以便在操作性飛行員參與下進(jìn)行更集中的評估。這樣就可以在構(gòu)造仿真和虛擬仿真中使用相同的基礎(chǔ)仿真模型，從而在兩種環(huán)境中提供更一致的建模和分析。此外，AFSIM還可以鏈接到其他仿真或其他仿真器/仿真器，以提供真正的實(shí)時虛擬-構(gòu)造（LVC）仿真功能。通過使用分布式交互式仿真（DIS）或其他受支持的通信協(xié)議，AFSIM可以與其他仿真或?qū)崟r實(shí)驗進(jìn)行交互，以提供其他實(shí)體（虛擬和構(gòu)造性），系統(tǒng)和子系統(tǒng)模型，威脅系統(tǒng)或其他可能的仿真功能。這使AFSIM可以通過附加功能來擴(kuò)展和/或補(bǔ)充更大的仿真或?qū)嶒灜h(huán)境。

AFRL已經(jīng)采取了一些措施來擴(kuò)大AFSIM的用戶數(shù)量。首先，AFRL將產(chǎn)品贈送給政府和行業(yè)合作伙伴。根據(jù)諒解備忘錄，可以輕松實(shí)現(xiàn)政府內(nèi)部共享。但是，與行業(yè)合作伙伴共享軟件最初被證明是棘手的，因為現(xiàn)有的合同機(jī)制僅允許與行業(yè)合作伙伴共享政府財產(chǎn)和信息，這是更大合同的一部分。

AFRL還選擇在其俄亥俄州代頓的總部提供免費(fèi)培訓(xùn)。AFRL當(dāng)前提供兩門課程：一門面向一般用戶，一門面向代碼開發(fā)人員。用戶課程每月提供一次，而開發(fā)人員課程每隔一個月提供一次。參加者的唯一費(fèi)用是與旅行有關(guān)的費(fèi)用。免費(fèi)軟件和免費(fèi)培訓(xùn)的結(jié)合使AFSIM對于可能被迫使用昂貴的現(xiàn)成商業(yè)（COTS）產(chǎn)品以及與許可證續(xù)期，專門培訓(xùn)和產(chǎn)品支持相關(guān)的經(jīng)常性費(fèi)用的組織非常有吸引力。

為了進(jìn)一步達(dá)成協(xié)議，AFRL還選擇為用戶和開發(fā)人員提供框架和所有支持工具的源代碼。該決定是由實(shí)驗室自身對其他“黑匣子”軟件工具的沮喪感所做出的，這些工具對工具如何將輸入轉(zhuǎn)化為輸出的了解有限。AFRL認(rèn)識到，提供源代碼將使精明的用戶可以自己查看每個AFSIM結(jié)果背后的邏輯，算法，方程式和相關(guān)假設(shè)。AFRL還意識到，訪問源代碼可以利用用戶社區(qū)作為代碼調(diào)試器，因為好奇的用戶可能會深入源代碼以了解異常結(jié)果，發(fā)現(xiàn)邏輯錯誤和錯誤的假設(shè)，可以在以后的軟件更新中予以糾正。

AFSIM的主要用例之一是作為技術(shù)成熟的仿真平臺。在過去的幾年中，AFRL在使用AFSIM作為成熟的航空器自主性的試驗臺方面進(jìn)行了大量投資。將AFSIM用作自治的模擬測試平臺，為基礎(chǔ)，應(yīng)用研究和高級應(yīng)用程序的開發(fā)，成熟和測試自治算法創(chuàng)建了一個統(tǒng)一的環(huán)境。事實(shí)證明，將AFSIM用作加速飛行器自主開發(fā)的虛擬試驗臺非常有效，以至于一些政府機(jī)構(gòu)和行業(yè)合作伙伴也采用了AFSIM進(jìn)行了類似的努力，包括國防高級研究計劃局（DARPA），約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗室（ JHU APL），喬治亞理工學(xué)院（GTRI）和Leidos。AFRL還與空軍生命周期管理中心（AFLCMC）和空軍作戰(zhàn)整合中心（AFWIC）合作，使AFSIM成為分析未來武器系統(tǒng)概念的替代品（AoA）的首選工具。此外，AFWIC已將AFSIM納入其功能開發(fā)指南。AFRL還向其行業(yè)合作伙伴傳達(dá)了AFSIM將成為評估其提案的關(guān)鍵工具。洛克希德·馬丁公司最近宣布將向其AFSIM基礎(chǔ)設(shè)施投資500萬美元，這清楚地表明了行業(yè)正在傾聽。開發(fā)AFSIM的前身的波音公司十多年來一直是忠實(shí)的用戶。

AFRL認(rèn)為國防部最終將通過使用AFSIM提前發(fā)現(xiàn)和糾正模糊的要求、無效的假設(shè)以及有缺陷的設(shè)計決策，減少進(jìn)度延誤和成本超支，最終收回投資。盡管存在一些缺陷，AFSIM已經(jīng)為使AFSIM實(shí)用、可用、負(fù)擔(dān)得起且易于使用而做出大量努力，增強(qiáng)了國防部“以模型為中心”的采購方法。